Pohon míchačky na beton

Pohon míchačky na beton

Bakalářská práce

Studijní program: B2301 – Strojní inženýrství Studijní obor: 2301R000 – Strojní inženýrství Autor práce: Vojtěch Hamala

Vedoucí práce: Ing. Rudolf Martonka, Ph.D.

Liberec 2016

TECHNICKÁ

_"

UNIVERZITA

\/

LIBERCI

Fakulta

strojní

Akademický rok: 2aft _/2016

zAD ^Ní naKAtÁŘsxÉ ^pRÁcE

(pno JEKTU, utvtĚLpcxÉtto

DílA, uuĚr,pcrÉrro,rýroNu)

Jméno a příjmení: Vojtěch Hamala

Osobní

číslo:

^S15000060

Studijní program: ₈₂₃₀₁

Strojní

inženýrství

Studijní

obor: Strojní

inženýrství

Název

tématu:

^Pohon míchačky na beton

Zadávající katedra:

Katedra

částí a mechanismů strojů

Zásady pro vypracování:

Navrhněte kompletní pohonný systém míchačky na beton o výkonu 750

W

a výstupních otáčkách 27 ot.f min Vše bude uloženo na svařovaném rámu.

Obsah bakalářské práce:

1. Představení úkolu

2. Průzkum potencionálních řešení

3. Vypracování 3D sestavy pohonu, výkresové dokumentace sestavy vybraných dílů

4. Výpočtová zpráva 5. Ekonomické zhodnocení 6. závérečné zhodnocení

Rozsah grafických prací: přílohy dle potřeby

Rozsah pracovní

zprávy:

50

Forma zpracování bakalářské práce: tištěná/elektronická

Seznam odborné literatury:

[1] Pešík,

L.

Časti strojů. 1. dít. Liberec:

TU

2005.

ISBN

80-7083-938-4

[2] Pešík,

t.

Časti strojů. 2. díl. Liberec:

TU

2005.

ISBN

80-7083-939-2

[3] Moravec,

V.

Konsttukce strojů a zařízení 2. čelní ozubená kola. Ostrava: Vysoká škola báňská, Technická univerzita, Fakulta

strojní,

}OOL,,291 s.

[a]

Mrkvica,

I. Současné trendy v obrábění ozubených kol. Ostrava: Vysoká škola báňská, Technická univerzita, Fakulta

strojní,

2OLl.r 12O s.

[5] Leinveber,

J.

a

P.

Vávra Strojnické tabulky.

Albra: Úvaly

2005.

ISBN

80-736_01"_6

[6] Bureš,

M.

lúávrh a pevnostní výpočet če]ních a kuželových ozubených ko/. Skriptum

TU

Liberec:

Ediční

středisko 2006.

[7] Normy pro návrh a pevnostní výpočet čelních a kuželových ozubených kol

ČsN

014686-4 nebo

ČsN Iso

6336-5 (0]"4687)

výpočet

únosnosti čelních ozubených kol s

přímými

a šikmými zuby - několik

dílů,

nebo

ANSI/AGMA

20010888, 2001-C95 nebo normou 2001-D04, nebo

ANSI/AGMA

908-889.

[8] Normy pro mezní úchylky a tolerance ozubených kol a soukolí

čSN

Ot4682 nebo novější

ČSN ISO

1328-t Četní ozubená kola - Soustava přesnosti ISO

a

ČSN

OI 4676 - Ozubená kola - Měření ozubených kol _čelních se

šikmými

zuby.

[9] Výpočetní programy

AutoDESK-

Mechsoft,

KISS SOFT, MITCAIc,

[ro] Oatabáze knihovny

TUL

[lt]

^www firemní stránky

výrobců zaíízeni

Vedoucí bakalářské práce:

Konzultant bakalářské práce:

Datum zadání bakalářské ^práce:

Termín odevzdání bakalářské ^práce:

Ing.

Rudolf

Martonka,

Ph.D.

Katedra částí a mechanismů strojů Ing.

Petr

Lepšík,

Ph.D.

Katedra částí a mechanismů strojů

12. února 2016 12. května2OI7

i//

prof. Ing. Í,adislau Ševčík, CSc.

vedoucí katedry

V Liberci dne 12. února 2016

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto pří- padě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vyna- ložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé bakalářské práce a konzultantem.

Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.

Datum:

Podpis:

Poděkování

Velice rád bych poděkoval Ing. Rudolfu Martonkovi, Ph.D. za odborné vedení bakalářské práce, věcné rady a vstřícnost při konzultacích. Dále bych chtěl poděkovat mé rodině a pří- telkyni, za trpělivost a podporu během celého studia.

Abstrakt:

Bakalářská práce se zabývá kompletním návrhem pohonného systému míchačky na beton o výkonu 750 W a výstupních otáčkách 27 ot./min. Pohonný systém se skládá z elektromotoru, převodové skříně a řetězového převodu, který pohání buben míchačky. Vše je uloženo na svařovaném rámu.

Práce obsahuje průzkum potenciálních řešení, 3D model pohonu, kompletní výpočtovou zprávu a kontrolu výstupního hřídele pomocí metody konečných prvků. Součástí jsou také výkresy vybraných dílu a celkové sestavy.

Klíčová slova:

Míchačka, převodová skříň, ozubená kola, metoda konečných prvků, řetěz

Abstract:

This bachelor thesis is concerned with complete project of concrete mixer´s driving system with 750W and with output speed of 27 rpm. Driving system is composed of electric motor, gearbox and chain gear which drives concrete mixer´s drum. All parts are placed on welded frame.

This thesis contains potential solution´s analysis, driving system´s 3D model, complete calculation report and output shaft inspection by Finite Element Method. Part of this thesis are selected parts drawings and complete layout drawings.

Key words:

Mixer, gearbox, gears, finite element method, chain

6

Obsah

1 Cíl práce ... 14

1.1 Úvod ... 15

1.2 Popis a přehled míchaček ... 15

2 Potenciální řešení ... 17

2.1 Zvolené řešení ... 19

3 Návrhové výpočty ... 20

3.1 Převodové poměry a otáčky na jednotlivých stupních ... 20

3.2 Výpočet krouticích momentů ... 20

3.3 Základní parametry soukolí ... 21

3.3.1 Čelní soukolí se šikmými zuby ... 21

3.3.2 Výpočet úhlu sklonu zubu ... 21

3.3.3 Základní geometrie čelního soukolí se šikmými zuby ... 22

3.3.4 Geometrie čelního soukolí se šikmými zuby ... 22

3.3.5 Základní geometrie šnekového soukolí ... 23

3.3.6 Geometrie šnekového soukolí ... 24

3.3.7 Volba materiálu a pevnostní výpočet ozubených kol ... 26

3.4 Hřídele ... 38

3.4.1 Silové poměry ... 38

3.4.2 Šnekový hřídel ... 39

3.4.3 Výstupní hřídel ... 42

3.4.4 Volba materiálů hřídelů ... 45

3.4.5 Minimální průměr hřídelů a jejich bezpečnosti ... 46

3.5 Ložiska ... 49

3.6 Volba maziva ... 50

3.6.1 Výpočet provozní teploty maziva ... 50

3.7 Pera ... 51

3.8 Předepjatý šroubový spoj ... 52

3.9 Řetězový převod ... 55

4 Metoda konečných prvků ... 58

5 3D model ... 59

6 Ekonomické zhodnocení ... 60

7 Závěr ... 61

Literatura ... 63

7

Seznam obrázků:

1: Spádová míchačka (upraveno dle (5)). ... 15

2: Lopatky uvnitř bubnu míchačky s nuceným mícháním (upraveno dle (6)). ... 16

3: Dvouhřídelová kontinuální míchačka (upraveno (7)). ... 16

4: Pastorek a ozubený věnec na obvodu bubnu (upraveno dle (8)). ... 17

5: Uchycení bubnu na přírubě ukončující hřídel (upraveno dle (9)). ... 17

6: Hřídel poháněný pomocí řetězu (upravenu dle (10)). ... 18

7: Hřídel poháněný pomocí řemenu (upraveno dle (11)). ... 18

8: Zakrytovaný pohon (upraveno dle (12)). ... 18

9: Schéma pohonu. ... 19

10: Silové působení na šnekovém hřídeli. ... 40

11: Průběh smykové síly na šnekovém hřídeli. ... 40

12: Průběh celkového ohybového momentu šnekovém hřídeli. ... 40

13: Silové působení na šnekovém hřídeli. ... 43

14: Průběh smykové síly na výstupním hřídeli. ... 43

15: Průběh celkového ohybového momentu na výstupním hřídeli. ... 43

16: Spojení náboje se šnekovým kolem. ... 53

17: Schéma předepjatého šroubového spoje. ... 53

18: Zavedení silového působení a okrajových podmínek ... 58

19: Průběh napětí na hřídeli ... 58

20: Převodová skříň s motorem a uspořádání skříně ... 59

21: Výstupní hřídel a mechanizmus napínání řetězu ... 59

22: Čelní soukolí a celková sestava ... 59

Seznam tabulek:

1: Vstupní parametry. ... 14

2: Základní rozměry čelního ozubení. ... 22

3: Rozměry čelního soukolí... 23

4: Rozměry zubu čelního soukolí. ... 23

5: Roztečné kružnice šnekového soukolí. ... 24

6: Rozměry šnekového soukolí. ... 25

7: Mezní úchylky čelního soukolí (zvoleno dle (P 5.)). ... 29

8: Drsnost boků zubů. ... 30

9: Síly působící na čelní soukolí. ... 38

10: Síly působící na šnekové soukolí. ... 39

11: Životnost jednotlivých ložisek. ... 50

12: Zvolená pera. ... 52

13: Zvolené součinitele (voleno dle (15)). ... 56

14: Ceny nakoupených dílů. ... 60

15: Cenové rozpětí míchaček. ... 60

8

Seznam symbolů a zkratek:

i12 [-] převodový poměr na čelním soukolí

i12teor [-] teoretický převodový poměr na čelním soukolí

i34 [-] převodový poměr na šnekovém soukolí

icteor [-] celkový teoretický převodový poměr

Mk1 [N.m] krouticí moment na pastorku

Mk2 [N.m] krouticí moment na spoluzabírajícím kole

Mk3 [N.m] krouticí moment na šneku

Mk4 [N.m] krouticí moment na šnekovém kole

z1 [-] počet zubů pastorku

z2n [-] navrhovaný počet zubů kola

z2 [-] počet zubů kola

z3 [-] počet chodů šneku

z4 [-] počet zubů šnekového kola

zv2 [-] počet zubů virtuálního kola

zv1 [-] počet zubů virtuálního kola

u12 [-] převodové číslo čelního soukolí

u34 [-] převodové číslo šnekového soukolí

n1 [min^-1] vstupní otáčky

n2 [min^-1] otáčky spoluzabírajícího kola

n3 [min^-1] otáčky výstupního hřídele

n4 [min^-1] výstupní otáčky

m12 [mm] modul čelního soukolí

m34 [mm] modul šnekového soukolí

m34n [mm] modul šnekového soukolí v normálné rovině

m12t [mm] modul čelního soukolí v tečné rovině

 [-] součinitel záběru profilu (v normálné rovině)

b12 [mm] šířka záběru ozubení

b1 [mm] šířka pastorku

b2 [mm] šířka spoluzabírajícího kola

12 [^o] úhel sklonu zubů na roztečném válci

d1 [mm] průměr roztečné kružnice pastorku

d2 [mm] průměr roztečné kružnice spoluzabírajícího kola

d3 [mm] průměr roztečné kružnice šneku

d4 [mm] průměr roztečné kružnice šnekového kola

p12t [mm] rozteč v tečné rovině

p12n [mm] rozteč v normálné rovině

12n [^o] čelní úhel záběru v normálné rovině

12t [^o] čelní úhel záběru v tečné rovině

d1b [mm] průměr základní kružnice pastorku

d2b [mm] průměr základní kružnice spoluzabírajícího

kola

d3b [mm] průměr základní kružnice šneku

d4b [mm] průměr základní kružnice šnekového kola

d1a [mm] průměr hlavové kružnice pastorku

d2a [mm] průměr hlavové kružnice spoluzabírajícího kola

d3a [mm] průměr hlavové kružnice šneku

d4a [mm] průměr hlavové kružnice šnekového kola

d1f [mm] průměr patní kružnice pastorku

d2f [mm] průměr patní kružnice spoluzabírajícího kola

d3f [mm] průměr patní kružnice šneku

d4f [mm] průměr patní kružnice šnekového kola

c12 [mm] hlavová vůle čelního soukolí

9

c34 [mm] hlavová vůle šnekového soukolí

p12b [mm] základní rozteč čelního soukolí

d1w [mm] průměr valivé kružnice pastorku

d2w [mm] průměr valivé kružnice spoluzabírajícího kola

d3w [mm] průměr valivé kružnice šneku

d4w [mm] průměr valivé kružnice šnekového kola

s12 [mm] tloušťka zubu čelních kol

h12a [mm] výška hlavy zubu čelních kol

h12f [mm] výška paty zubu čelních kol

a12 [mm] roztečná osová vzdálenost čelního soukolí

12b [^o] úhel sklonu zubů na základním válci

a34 [mm] roztečná osová vzdálenost šnekového soukolí

q [-] součinitel průměru šneku

b3min [mm] minimální šířka šneku

b3 [mm] šířka šneku

b4 [mm] šířka věnce šnekového kola

 [^o] úhel stoupání šneku na roztečném válci

b [^o] zákl. úhel stoupání šneku na roztečném válci

x [^o] osový uhel v profilu šneku

pz [mm] stoupání závitu

px [mm] osová rozteč

pb [mm] základní rozteč

VHv [Hv] tvrdost na boku zubu

Rm [MPa] mez pevnosti

Re [MPa] mez kluzu

Rp0.2 [MPa] smluvní mez kluzu

JHv [Hv] tvrdost v jádře zubu

Hlim [MPa] mez únavy v dotyku

Flim [MPa] mez únavy v ohybu

Ered [MPa] redukovaný modul pružnosti v tahu

vk [mm.s^-1] skluzová rychlost

F12t [N] obvodová síla působící na pastorek

KV [-] součinitel vnějších dynamických sil

KA [-] součinitel vnějších dynamických sil

gα [mm] dráha záběru

12 [-] součinitel záběru profilu (v čelní rovině)

12 [-] celkový součinitel záběru profilu

ZH [-] součinitel tvaru spoluzabírajících kol pro dotyk

ZE [-] součinitel mechanických vlastností materiálu

Z [-] souč. součtové délky dotyk. křivek boků zubů

Z [-] součinitel vlivu sklonu zubu

H01 [MPa] nominální napětí v dotyku pastorku

H02 [MPa] nominální napětí v dotyku spoluzabírajících kol

ZB,D [-] souč. jednopárového záběru pro šikmé zuby

A,B [-] pomocný součinitel

F12m [N] střední obvodová síla čelního soukolí

c [N.mm^-1. µm^-1] střední tuhost zubu

dsh [mm] průměr hřídele v místě pastorku

l [mm] vzdálenost ložisek hřídele

ls [mm] vzdálenost ložiska od pastorku

K‘ [-] součinitel polohy pastorku vůči ložiskům

fsh [µm] úchylka dotykové křivky způsobené deformací

fH [µm] mezní úchylka sklonu zubu

fma [µm] výrobní úchylka dotykové křivky

10

Fx [µm] počáteční celková úchylka dotykové křivky

y [µm] snížení úchylky dotyk. křivky opotřebení při záběru

F [µm] celková úchylka dotykové křivka

Pp [-] pomocný proměnná

KH [-] součinitel nerovnoměrnosti rozložení zubů po šířce

KH [-] součinitel přídavných zatížení (dotyk)

fpt [µm] mezní úchylka čelní rozteče

fpt [µm] mezní úchylka základní rozteče

y12 [µm] snížení úchylky základní rozteče při záběru

F12tH [N] směrodatná obvodová síla čelního soukolí

q [-] pomocný součinitel

H1 [MPa] napětí v dotyku pastorku

H2 [MPa] napětí v dotyku spoluzabírajícího kola

Ra1 [µm] drsnost boku zubů pastorku

Ra2 [µm] drsnost boku zubů spoluzabírajícího kola

RaISO1 [µm] průměrná výška prvků profilu boku zubu pastorku

RaISO2 [µm] průměrná výška prvků profilu boku zubu kola

ρ1 [mm] poloměr křivosti pastorku

ρ2 [mm] poloměr křivosti spoluzabírajícího kola

ρred [mm] redukovaný poloměr křivosti

Rz10 [µm] průměrná relativní výška profilů boků zubů

ZLVR [-] součinitel drsnosti boků zubů

ZW [-] součinitel tvrdosti

ZX [-] součinitel velikosti

ZNT1 [-] součinitel počtu cyklů pastorku

ZNT2 [-] součinitel počtu cyklů spoluzabírajícího kola

SHmin [-] minimální požadovaná bezpečnost v dotyku

HP1 [MPa] přípustné napětí v dotyku pastorku

HP2 [MPa] přípustné napětí v dotyku spoluzabírajícího kola

SH1 [-] součinitel bezpečnosti proti vzniku únavového

poškození boků zubů pastorku

SH2 [-] součinitel bezpečnosti proti vzniku únavového

poškození boků zubů spoluzabírajícího kola

YST [-] součinitel koncentrace

FE12 [MPa] mez únavy v ohybu referenčního ozubeného

kola

YNT12 [-] součinitel počtu cyklů čelního soukolí

YrelT [-] poměrný součinitel vrubové citlivosti

YRrelT [-] součinitel drsnosti v oblasti přechodu zubu

Y [-] součinitel sklonu zubu

YX [-] součinitel velikosti

SFmin [MPa] hodnota přípustného napětí v ohybu

YFa1 [-] součinitelé tvaru zubu při působení síly na

špičku zubu pro pastorek

YFa2 [-] součinitelé tvaru zubu při působení síly na

špičku zubu pro spoluzabírající kolo

YSa1 [-] součinitelé koncentrace napětí přizpůsobení síly

na špičku zubu pro pastorek

YSa2 [-] součinitelé koncentrace napětí přizpůsobení síly

na špičku zubu pro spoluzabírající kolo

Y12 [-] součinitel vlivu záběru profilu pro čelní soukolí

KF [-] součinitel rozdělení zatížení na jednotlivých zubů

F01 [MPa] nominální napětí v ohybu pastorku

11

F02 [MPa] nominální napětí v ohybu spoluzabírajícího

kola

NF [-] exponent pro výpočet součinitele nerovnoměrnosti

zatížení zubů

KF [-] součinitel nerovnoměrnosti zatížení zubů po šířce

pro ohyb

F1 [MPa] ohybové napětí na patě zubu pastorku

F2 [MPa] ohybové napětí na patě zubu spoluzabírajícího

kola

SF1 [-] součinitelé bezpečnosti proti vzniku únavového

lomu v patě zubu pro pastorek

SF2 [-] součinitelé bezpečnosti proti vzniku únavového

lomu v patě zubu pro spoluzabírající kolo

Zv [-] součinitel rychlosti

LH [-] součinitel počtu cyklů

ZOIL [-] součinitel maziva

ZS [-] součinitel velikosti

HG [MPa] korigovaná mez únavy

b4H [mm] pracovní šířka šnekového kola

p^* [-] parametr středního Hertzova napětí

YS [-] součinitel velikosti

f0T [-] základní součinitel tření pro standardní refe-

renční šnekové soukolí

h^* [-] součinitel tloušťky mazací vrstvy pro šneky

YG [-] součinitel geometrie

YW [-] součinitel materiálu

YR [-] součinitel drsnosti

fzm [-] střední součinitel tření

η34 [%] účinnost šnekového soukolí

P4 [W] výkon na šnekovém kole

Hm [MPa] střední napětí v dotyku

SH [-] bezpečnost v dotyku

FlimT [MPa] mez únavy v dotyku

FlimT [MPa] mez únavy ve smyku

NL [-] počet cyklů

YNL [-] součinitel počtu cyklů

FG [MPa] korigovaná mez únavy

Y34ε [-] součinitel vlivu záběru profilu

αo [^o] osový úhel profilu

YF [-] součinitel tvaru

Y [-] součinitel úhlu stoupání šroubovice

sK [mm] tloušťka věnce šnekového kola

f [MPa] smykové napětí v patě zubu

SF [-] součinitelé bezpečnosti proti vzniku lomu v patě

zubu

max [mm] maximální průhyb hřídele šneku

lim [mm] mezní průhyb hřídele šneku

s [-] součinitel bezpečnosti průhybu hřídele šneku

Ft1 [N] tečná síla působící na pastorek

Ft2 [N] tečná síla působící na spoluzabírající kolo

Ft3 [N] tečná síla působící na šnek

Ft4 [N] tečná síla působící na šnekové kolo

Fa1 [N] axiální síla působící na pastorek

Fa2 [N] axiální síla působící na spoluzabírající kolo

12

Fa3 [N] axiální síla působící na šnek

Fa4 [N] axiální síla působící na šnekové kolo

Fr1 [N] radiální síla působící na pastorek

Fr2 [N] radiální síla působící na spoluzabírající kolo

Fr3 [N] radiální síla působící na šnek

Fr4 [N] radiální síla působící na šnekové kolo

f'‘ [-] součinitel tření v ozubení

φ* [^o] třecí úhel v ozubení

l [mm] vzdálenost

FA [N] síla působící v ložisku A

FB [N] síla působící v ložisku B

FC [N] síla působící v ložisku C

FD [N] síla působící v ložisku D

MoY [N.m] ohybový moment v ose y

MoZ [N.m] ohybový moment v ose z

σCo [MPa] mez únavy materiálu

σ‘Co [MPa] korigovaná mez únavy materiálu

τDK [MPa] dovolené smykové napětí

ka [-] součinitel vlivu jakosti povrchu

kb [-] součinitel vlivu velikosti tělesa

kc [-] součinitel vlivu způsobu zatěžování

kd [-] součinitel vlivu teploty

ke [-] součinitel spolehlivosti

kf [-] součinitel zahrnující další vlivy

MoRED [N.m] redukovaný ohybový moment

dk [mm] minimální průměr hřídele

σO1 [MPa] napětí v ohybu šnek.hřídele

σO1 [MPa] napětí v ohybu výstup.hřídele

τk1 [MPa] napětí v krutu šnek.hřídele

τk2 [MPa] napětí v ohybu výstup.hřídele

ko1 [-] součinitel bezpečnosti v ohybu šnek.hřídele

ko2 [-] součinitel bezpečnosti v ohybu výstup. hřídele

kk1 [-] součinitel bezpečnosti v krutu šnek.hřídele

kk2 [-] součinitel bezpečnosti v krutu výstup.hřídele

kd1 [-] celková bezpečnost šnek.hřídele

kd2 [-] celková bezpečnost výstup.hřídele

PL [N] ekvivalentní zatížení

C [N] dynamická únosnost

ν40 [mm².s^-1] kinematická viskozita

tSlim [^oC] mezní teplota pro syntetické oleje

c1,0 [-] součinitel pro skříň bez ventilátoru

t0 [^oC] teplota okolního prostředí

ts [^oC] provozní teplota maziva ve skříni převodovky

St [-] teplotní součinitel bezpečnosti

bp [mm] šířka pera

hp [mm] výška pera

dh1 [mm] průměr hřídele v místě spoje

Fobv [N] obvodová síla

lpe [mm] minimální délka pera

kn [-] návrhový součinitel

pD [MPa] dovolený tlak

MT [N.m] třecí moment

FT [N] třecí síla

FN [N] provozní síla

FP [N] síla svírající spojované součásti

13

FS [N] síla ve šroubu

σS [MPa] dolní mez kluzu pro šroub

AS [mm²] výpočetní průřez šroubu

ds [mm] díra pro šroub

Ss [mm²] plocha díry pro šroub

Dk [mm] průměr klíče

ls [mm] délka šroubu

lp [mm] délka spojovaných součástí

Dn [mm] vnější průměr náhradního dutého válce

Sp [mm²] plocha spoje

ks,p [N.mm^-1] tuhost šroubu a spojovaných součástí

ΔFp [N] změna síly mezi spojovanými součástmi

FQ [N] síla předpětí

γs [^o] úhel stoupání závitu

f'z [-] součinitel tření mezi plochami závitu

α‘ [^o] úhel profilu závitu

φ‘z [^o] třecí úhel v závitu

f'p [-] součinitel tření mezi spojovanými součástmi

Mu [N.m] utahovací moment

pr [mm] rozteč hnacího kola

dt [mm] roztečná kružnice hnacího kola

vt [m.s^-1] obvodová rychlost hnacího kola

FR [N] tažná síla

Y [-] součinitel rázu

k [-] součinitel výkonu

I2 [-] součinitel mazání

φ [-] součinitel provedení

σ [-] součinitel vzdálenosti os

PD [W] diagramový výkon

X [-] počet článků řetězu

FC [N] celkové zatížení řetězu

FB [N] pevnost v přetržení řetězu

γstat [-] statický bezpečnostní koeficient

γdyn [-] dynamický bezpečnostní koeficient

I1 [-] součinitel tření

f [mm²] plocha článku řetězu

pi [MPa] měrný tlak v kloubech řetězu

pv [MPa] výpočtový tlak v kloubech řetězu

14

1 Cíl práce

Cílem této bakalářské práce je navrhnout kompletní pohonný systém míchačky na beton.

Součástí tohoto systému je převodová skříň s ozubenými koly poháněná elektromotorem a spojení výstupního hřídele s bubnem míchačky pomocí řetězového převodu. Celá soustava je uložena na svařovaném rámu, který se bude naklápět pro vysypání betonu do připravené nádoby. Vstupní parametry potřebné k návrhu pohonného systému jsou uvedeny v Tab. 1.

Výkon trojfázového elektromotoru _{P 750 W}

(1)

Otáčky trojfázového elektromotoru 1

1 1380 min

n  ^ (2)

Výstupní otáčky z převodové skříně 1 4 27 min

n  ^ (3)

Požadovaní trvanlivost _{8 000 h}

L h (4)

Součinitel vnějších dynamických sil _1,85

K A (5)

Tab. 1: Vstupní parametry.

15

1.1 Úvod

Míchání je proces, při kterém dochází ke smíchání minimálně dvou složek za účelem homo- genizace směsi. Míchačka je tedy zařízení sloužící k míchání vícesložkových sypkých směsí, kapalin i jejich kombinací. S míchačkou se setkáváme v mnoha odvětvích, jako je stavebnictví, potravinářství, při technologii zpracování plastů, při míchání roztoků nebo ba- rev v laboratořích, nebo například v kuchyni kde jsou využívány jako domácí roboti.

Práce se bude nejdříve zabývat rozdělením míchaček na několik typů, poté průzkumem potenciálních řešení návrhu míchačky a nakonec dojde k vlastnímu provedení návrhu. Při návrhu součástí musí být zohledněna bezpečnost a životnost míchačky. Jednotlivé součásti musí být navrženy tak, aby byly vyrobitelné a splňovaly svoji funkci. Práce bude obsahovat 3D model pohonu včetně výkresové dokumentace sestavy a vybraných dílů. Kontrola jedné vybrané součásti bude provedena pomocí metody konečných prvků.

1.2 Popis a přehled míchaček

Práce se zabývá návrhem míchačky na beton, a proto se následující rozdělení bude týkat pouze míchaček používaných ve stavebnictví. Rozlišujeme několik typů:

Míchačky spádové – Jsou to nejběžněji používané typy míchaček, zpravidla bubno- vého provedení. Míchačka tohoto typu je zobrazena na Obr. 1. Míchání se provádí otáčením bubnu, kdy se směs přesýpá přes lopatky, které jsou pevně spojené s bubnem. K vyprázdnění míchačky dochází překlopením bubnu do určité polohy, případně reverzací otáček.

Obr. 1: Spádová míchačka (upraveno dle (5)).

16 Míchačky s nuceným mícháním – Tyto míchačky jsou obvykle horizontální nebo ver- tikální. Uvnitř nehybného bubnu jsou ramena, která se otáčí kolem vnitřní osy a jsou od ní různě vzdálená. Na koncích ramen mohou být navíc rotující lopatky. Lopatky uvnitř bubnu jsou vyobrazeny na Obr. 2.

Obr. 2: Lopatky uvnitř bubnu míchačky s nuceným mícháním (upraveno dle (6)).

Míchačky kontinuální – Tyto míchačky fungují na principu neustálého míchání, kdy se na jednom konci přidávají suroviny v daném poměru a na druhém konci vypadává již hotová směs. Konstrukce těchto míchaček, může být bubnová nebo dvouhřídelová (vyobra- zena na Obr. 3).

Obr. 3: Dvouhřídelová kontinuální míchačka (upraveno (7)).

17

2 Potenciální řešení

Vzhledem k vstupním parametrům je pravděpodobné, že řešení pohonu bude navrhováno pro spádovou míchačku a proto se práce bude zabývat pouze tímto typem míchaček. Ko- merčně vyráběné spádové míchačky mají pohon bubnu nejčastěji vyřešený pomocí pastorku a ozubeného věnce na obvodu bubnu (Obr. 4), který zároveň slouží jako jednostupňový pře- vod.

Obr. 4: Pastorek a ozubený věnec na obvodu bubnu (upraveno dle (8)).

Méně časté řešení pohánění hřídele bubnu míchačky je pomocí řetězového, případně řemenového převodu. Hřídel je pak zakončený přírubou, na níž je přimontovaný buben (Obr.

5). Toto řešení se objevuje spíše na starších typech a míchačkách domácího provedení. U těchto typů se používá šneková, případně šneko-čelní převodovka, která má vysoký převo- dový poměr a je možné zvolit motor o vysokých otáčkách.

Obr. 5: Uchycení bubnu na přírubě ukončující hřídel (upraveno dle (9)).

18 Dále jsou na obrázcích Obr. 6, Obr. 7 a Obr. 8 zobrazeny další příklady konstrukčních řešení míchaček.

Obr. 6: Hřídel poháněný pomocí řetězu (upravenu dle (10)).

Obr. 7: Hřídel poháněný pomocí řemenu (upraveno dle (11)).

Obr. 8: Zakrytovaný pohon (upraveno dle (12)).

19

2.1 Zvolené řešení

Vzhledem k výkonu míchačky, se tato práce bude zabývat pouze míchačkou pro domácí použití, kdy není potřeba namíchat velké množství betonu najednou. Inspirací pro řešení jsou míchačky, u kterých je buben poháněný pomocí řetězového převodu. Vysoký převodový poměr je vyřešený pomocí šneko-čelní převodovky, která má výhodu oproti ozubenému věnci v tom, že je uzavřená v převodové skříni a případné nečistoty nemají vliv na její funkci. Ozubený věnec je především u levnějších typů míchaček vyráběn z nepříliš kvalit- ních materiálů a mohlo by dojít k vylomení zubu z věnce/pastorku, případně k jiné poruše v důsledku jeho zanesení způsobeném používáním.

Celý pohon je umístěný na svařovaném rámu a z části zakrytý plechem proti provozním nečistotám. Z bezpečnostních důvodů, při případné nehodě, kdy obsluha míchačky z nepo- zornosti přetíží míchačku, zanechá v bubnu lopatu atd., musí být zajištěno, aby se buben přestal točit. Pro podobné situace je pero spojující bubnový hřídel a řetězové kolo, dimen- zování na hranici únosnosti aby se v případě problému zlomilo. Toto místo je zvoleno z praktického hlediska, pera jde zde snadno vyměnit. Na Obr. 9 je zobrazeno schéma po- honu.

Obr. 9: Schéma pohonu.

20

3 Návrhové výpočty

3.1 Převodové poměry a otáčky na jednotlivých stupních

Vstupní otáčky

1 1 1 380 min

n  ^ (6)

Výstupní otáčky

1 4 27 min

n  ^ (7)

Celkový teoretický převodový poměr

1

4

1 380

51,111

cteor 27 i n

n   (8)

Vypočítaný převodový poměr se nedá uskutečnit pomocí žádných normalizovaných převo- dových poměru, a proto byla jeho hodnota snížena

cteor 50

i  (9)

Tomu odpovídají otáčky

1 1 4

1380 27,6 min

cteor 50 n n

i

    (10)

Zvolený normalizovaný převodový poměr pro šnekové soukolí

34 40

i  (11)

Teoretický převodový poměř pro čelní soukolí

12

34

50 1, 25 40

cteor teor

i i

 i   (12)

Otáčky na šnekovém hřídeli

-1 2 3 1 092,5 min

n  n (13)

3.2 Výpočet krouticích momentů

1

1

750 60

5,190 Nm

2 2 1 380

k

M P

 n 

   

    (14)

2 3

2

750 60

6,556 Nm

2 2 1 092,5

k k

M M P

 n 

    

    (15)

4

4

750 60

172,303 Nm

2 2 27,6

k

M P

 n 

   

   

(16)

21

3.3 Základní parametry soukolí

3.3.1 Čelní soukolí se šikmými zuby Zvolený počet zubů pastorku

1 19

z  (17)

Počet zubů spoluzabírajícího kola – navrhovaný

2_n 12_teor 1 1,25 19 23,75

z i  z   (18)

zvoleno

2 24

z  (19)

Konečný převodový poměr čelního soukolí

2 12

1

24 1, 263 19

i z

 z   (20)

Zvolený modul čelního soukolí – normálný

12 2,5 mm

m  (21)

Součinitel záběru kroku

 1

  (22)

Šířka záběru ozubení

9 m b1214m (23)

platí

 

12 22,5 35

b  (24)

zvoleno

12 24 mm

b  (25)

3.3.2 Výpočet úhlu sklonu zubu Úhel sklonu zubu na roztečném válci

12 12

12

1 2,5

arcsin arcsin 19,1

24 m

b

  

  ^ ^{  } ^ ^{  } 

 

  (26)

Z technologických důvodů volím

12 19

   (27)

22 3.3.3 Základní geometrie čelního soukolí se šikmými zuby

Počet zubů virtuálního kola

 

¹

 

1 3 3

12

19 22,477

cos cos 19

v

z z

   

 (28)

 

²

 

2 3 3

12

24 28,392

cos cos 19

v

z z

   

 (29)

Výpočet čelního modulu

 

¹²

 

12

12

2,5 2,644 mm

cos cos 19

t

m m

   

 (30)

Pastorek

Spolu zabírající kolo

Průměr roztečné kružnice ^{d1 z m1 12t19 2,644 50,237 mm} (31)

2 2 12_t 24 2,644 63,457 mm

d z m    (32)

Šířka ozubení ^{b1b12 2 m1224 2 2,529 mm} (33)

2 12 24 mm

b b  (34)

Tab. 2: Základní rozměry čelního ozubení.

3.3.4 Geometrie čelního soukolí se šikmými zuby Převodové číslo čelního soukolí

2 12

1

24 1, 263 19

u z

 z   (35)

Normální rozteč

12_n 12 2,5 7,854 mm

p   m    (36)

Čelní rozteč

12_t 12_t 2,644 8,307 mm

p   m    (37)

Čelní úhel záběru

 

   

 

12

12 12

12

20

tan tan 20

arctan arctan 21,054

cos cos 19

n

n t



 



 

    

      

(38)

Hlavová vůle

12 0, 25 12 0, 25 2,5 0,625 mm

c  m    (39)

Základní rozteč

   

12_b 12_t cos 12_t 8,307 cos 21,054 7,752 mm

p p       (40)

23 Pastorek

Spolu zabírající kolo

Průměr základní kružnice d1_b d1 cos



12_t



46,883 mm (41)

 

2_b 2 cos 12_t 59, 221 mm

d d    (42)

Průměr hlavové kružnice ^{d1a   d1 2 m1255, 237 mm} (43)

2_a 2 2 12 68, 457 mm

d d  m  (44)

Průměr patní kružnice d_1f d₁ 2



m₁₂c₁₂



43,987 mm (45)

 

2_f 2 2 12 12 57, 207 mm

d d   m c  (46)

Průměr valivé kružnice ^d1wd1 (47)

2w 2

d d (48)

Tab. 3: Rozměry čelního soukolí.

Tloušťka zubu ¹²

12

8,307

4,153 mm

2 2

p t

s    (49)

Výška hlavy zubu

12_a 12 2,5 mm

h m  (50)

Výška paty zubu _{h12f 1,25m121,25 2,5 3,125 mm} (51) Výška zubu h₁₂h_12ah_12f 2,5 3,125 5,625 mm (52)

Tab. 4: Rozměry zubu čelního soukolí.

Roztečná osová vzdálenost (rovná se valivé vzdálenosti)

2 1

12

12 12

50,237 63,457

56,847 mm

2 2

w

d d a

a a

 

  

 (53)

Úhel sklonu zubu na základním válci

   

  

   



12_b arcsin sin 12 cos 12_n arcsin sin 19 cos 20 17,814

           (54)

3.3.5 Základní geometrie šnekového soukolí Osová vzdálenost

34 89,108 mm

a  (55)

Modul šnekového soukolí

34 3,55 mm

m  (56)

Součinitel průměru šneku 10

q  (57)